CN101030623B - 采用两个氧化物层的非易失性存储器件 - Google Patents

采用两个氧化物层的非易失性存储器件 Download PDF

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Abstract

提供了一种采用两个氧化物层的非易失性存储器件。所述非易失性存储器件包括可变电阻材料，还包括：下部电极；形成于所述下部电极上的，由氧化状态可以改变的氧化物形成的第一氧化物层；形成于所述第一氧化物层上的第二氧化物层；以及形成于所述第二氧化物层上的上部电极。

Description

采用两个氧化物层的非易失性存储器件
技术领域
本发明涉及一种非易失性存储器件，更具体而言，涉及具有两个氧化物层的非易失性存储器件，其能够在不借助诸如二极管或晶体管的独立器件的情况下可靠地开关(switch)和工作。
背景技术
最近的研究试图开发出每单位面积具有大量存储单元的半导体存储器件，即实现高集成度、高工作速度和低功耗。
常规半导体存储器件包括多个存储单元。就代表半导体存储器件的动态随机存取存储器(DRAM)而言，单位存储单元通常由开关和电容器构成。DRAM具有高集成度和高工作速度。但是，在断开电源时，将失去所有存储在DRAM内的数据。
即使在断电之后，非易失性存储器件也能保持存储的数据。闪速存储器就是一种非易失性存储器件。闪速存储器是非易失性的，但是与DRAM相比，其集成度低，工作速度慢。
当前很多针对非易失性存储器件的研究集中在磁随机存取存储器(MRAM)、铁电随机存取存储器(FRAM)、相变随机存取存储器(PRAM)和电阻随机存取存储器(RRAM)上。
RRAM利用了电阻根据电压变化的过渡金属氧化物的电阻转变(transition)特性。图1示出了采用电阻转变材料的常规RRAM的结构。所述采用过渡金属氧化物(TMO)的RRAM还具有开关特性，由此能够起着存储器件的作用。
参考图1，在衬底10上依次形成下部电极12、氧化物层14和上部电极16。下部电极12和上部电极16通常由导电材料形成，氧化物层14由具有电阻转变特性(可变电阻)的过渡金属形成。氧化物层14可以由ZnO、TiO2、Nb2O5、ZrO2或NiO等形成。
通常，就钙钛矿-RRAM而言，开关材料为诸如PCMO(PrCaMnO3)或Cr-STO(SrTiO3)的钙钛矿氧化物。钙钛矿-RRAM的存储特性是根据施加到存储节点上的电压极性实现的，其利用了肖特基势垒形变原理。
发明内容
本发明提供了一种非易失性存储器件，其采用两个氧化物层，具有简单的构造和实现可靠工作的良好开关特性。
根据本发明的一方面，提供了一种非易失性存储器件，其采用两个氧化物层，并包括可变电阻材料，所述非易失性存储器件包括：下部电极；形成于所述下部电极上的，由氧化状态可以改变的氧化物形成的第一氧化物层；形成于所述第一氧化物层上的第二氧化物层；以及形成于所述第二氧化物层上的上部电极。
所述下部电极由与所述第一氧化物形成肖特基接触的金属或金属氧化物形成。
所述第一氧化物层由过渡金属氧化物形成。
所述过渡金属氧化物由NiO、CeO2、VO2、V2O5、Nb2、Nb2O5、TiO2、Ti2O3、WO3、Ta2O5或ZrO2形成。
第二氧化物层由无定形氧化物形成。
所述无定形氧化物为InZnO(IZO)或InSnO(ITO)。
所述下部电极由Pt、Ru或Ir，或者Pt、Ru或Ir的氧化物形成。
所述上部电极由Pt、Ru或Ir，或者Pt、Ru或Ir的氧化物形成，或者由Ti或Ag形成。
附图说明
通过参考附图详细描述其示范性实施例，本发明的以上和其他特征和益处将变得更加显见，附图中：
图1是常规电阻存储器件的横截面图；
图2是根据本发明实施例采用两个氧化物层的非易失性存储器件的横截面图；
图3是根据本发明的实施例，说明非易失性存储器件的工作原理的电流-电压(I-V)曲线图；
图4是根据本发明实施例，说明用作采用两个氧化物层的非易失性存储器件的第二氧化物层的IZO(InZnO)的特性的I-V曲线图；以及
图5A和5B是根据本发明实施例，说明用作采用两个氧化物层的非易失性存储器件的第一氧化物层的TiOx的特性的I-V曲线图。
具体实施方式
现在，将参考附图详细描述根据本发明实施例的具有两个氧化物层的非易失性存储器件。在附图中，为了清晰起见夸大了层和区域的厚度。
图2是根据本发明实施例采用两个氧化物层的非易失性存储器件的横截面图。
参考图2，所述非易失性存储器件包括衬底20和依次形成于衬底20上的下部电极21、第一氧化物层22、第二氧化物层23和上部电极24。
这里，衬底20可以由Si、SiO2、SiC等形成。
下部电极21可以由与氧化物形成肖特基接触的金属或金属氧化物形成。如果第一氧化物层22由诸如TiO2的n型氧化物形成，那么下部电极21可以由诸如Pt、Ru、Ir、IrOx等的具有高功函数的材料形成。如果第一氧化物层22由诸如NiO等的p型氧化物形成，那么下部电极21优选由诸如Ti或Ag的具有低功函数的材料形成。
第一氧化物层22由具有低电子传导率(electron conductivity)、高氧传导率(oxygen conductivity)和两个电阻状态的材料形成。例如，其可以是作为过渡金属氧化物的NiO、CeO2、VO2、V2O5、Nb2、Nb2O5、TiO2、Ti2O3、WO3、Ta2O5、ZrO2等。
第二氧化物层23由具有高氧空位(oxygen vacancy)浓度的材料形成，所述材料的电阻基本不随其氧离子的浓度而变化，并且所述材料能够含有氧离子。具体而言，第二氧化物层23可以由诸如IZO(InZnO)或ITO(InSnO)的具有较多缺陷的无定形氧化物形成。
上部电极24可以由与氧化物形成欧姆接触的金属或金属氧化物形成。例如，上部电极24由Pt、Ru、Ir、IrOx等形成。
如上所述，可以采用诸如溅射的PVD工艺、原子层淀积(ALD)工艺或CVD工艺制造根据本发明实施例的具有两个氧化物层的非易失性存储器件.这里，不限制各层的厚度，并且可以在几纳米到几微米之间调整所述厚度.图2只示出了非易失性存储器件的一个单位结构.但是，根据本发明的实施例的采用两个氧化物层的非易失性存储器件可以具有交叉点(cross-point)结构，并且可以以阵列形式使用.
现在，将参考附图详细描述根据本发明实施例的采用两个氧化物层的非易失性存储器的工作。
图3是根据本发明的实施例，说明非易失性存储器件的工作原理的电流-电压(I-V)曲线图。在所描述的衬底实例中，第一氧化物层22由TiO2形成，第二氧化物层23由IZO形成，下部和上部电极21和24由IrOx形成。在这种情况下，图4是在第二氧化物层23由IZO形成时通过在由IrOx形成的下部和上部电极21和24之间测量电流-电压特性而获得的电流-电压曲线图。此外，图5A、5B是在第一氧化物层23由TiOx形成时，通过在由IrOx形成的下部电极21和由Pt形成的上部电极24之间测量电流-电压特性而获得的电流-电压曲线图。参考图4到图5B，IZO和TiOx二者均具有相对于所施加的电压的可变电阻状态(A1→A2→A3→A4，B1→B2→B3→B4)。
参考图4，在逐渐向上部电极24施加正(+)电压时，通过第一氧化物层22和第二氧化物层23的电流沿曲线A1逐渐增大。在该实施例中，由于第一氧化物层22处于较高的电阻状态，因此，流经第一氧化物层22的电流小。
此外，由于通过上部电极24施加从0V到M2V的正(+)电压，因此，氧离子被从第一氧化层22的TiO2中提取出来，并朝向上部电极24移动。因此，与TiO2相比，第一氧化物层22处于低电阻状态，就像其是由TiO或Ti2O3形成的一样。
如果第一氧化物层22由V2O5形成，那么其将变为类似于VO2的具有减少的氧离子的结构。如果第一氧化物层22由Nb2O5形成，那么其将变为类似于NbO2等的具有减少的氧离子的结构。
第二氧化物层23的IZO是无定形材料，并且包括相对较多的缺陷。因此，尽管氧离子从第一氧化物层22向第二氧化物层23移动，第二氧化物层23的电阻也不会发生很大的变化。结果，通过施加从0V增大至M2V的电压，根据本发明的实施例的具有两个氧化物层的非易失性存储器件从高电阻状态(HRS)变为低电阻状态(LHS)。
在通过逐渐降低外加电压而使非易失性存储器件处于低电阻状态后，流经第一氧化物层22和第二氧化物层23的电流发生变化(图4的A2)。结果，根据本发明实施例的具有两个氧化物层的非易失性存储器件具有高电阻状态(HRS)和低电阻状态(LRS)。如果将高电阻状态指定为值“0”，将低电阻状态指定为值“1”，那么所述非易失性存储器件可以起到存储器件的作用。例如，为了读取存储在非易失性存储器件中的信息，施加电压M1，并测量流经第一氧化物层22和第二氧化物层23的电流。
为了使低电阻状态变为高电阻状态，通过上部电极24施加负(-)电压.在这种情况下，由于非易失性存储器件处于低电阻状态，通过增大经由上部电极24施加的负(-)电压，使流经第一氧化物层22和第二氧化物层23的电流沿曲线A3变化.由于通过上部电极24施加了负(-)电压，因此，处于第二氧化物层23中的氧离子向第一氧化物层22移动.因此，如果通过上部电极24施加负(-)电压，并且增大所施加的电压，那么第一氧化物层22将从低电阻状态变为高电阻状态.在将第一氧化物层22的电阻状态变为高电阻状态之后，通过再次降低负(-)电压，使电阻沿曲线A4变化.
现在，将说明在非易失性存储器件中写入信息的过程。在写入信息“0”时，施加-M2V电压，从而使第一氧化物层22处于高电阻状态。在写入信息“1”时，施加+M2V电压，从而使第一氧化物层22处于低电阻状态。这里，用于将第一氧化物层22从低电阻状态转换为高电阻状态的负(-)电压的幅度和将第一氧化物层22从高电阻状态转换为低电阻状态的正(+)电压的幅度可能取决于各个层的厚度和材料，但是能够通过简单的电流-电压测量获得。
如上所述，在根据本发明实施例的采用两个氧化物层的非易失性存储器件中，通过向上部电极24施加正(+)电压，使第一氧化物层22的氧离子向第二氧化物层23移动。这里，第一氧化物层22为n型半导体层，第二氧化物层23的下部区域为p型半导体层，第二氧化物层23的上部区域起着具有可变电阻的氧化物层的作用。因此，本发明自身可以是具有IDIR结构的存储器件。因此，不必单独形成作为开关器件的晶体管或二极管等。
可以将本发明用作单位器件，也可以以交叉点结构的阵列形式使用。
如上所述，根据本发明的非易失性存储器件可以通过简单的结构实现可靠的开关，并且由于不需要诸如二极管或晶体管的独立器件，因此制造成本低。
尽管已经参考其示范性实施例特别展示和描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将要理解，可以在其中做出多种形式和细节上的变化而不脱离由权利要求所限定的本发明的精神和范围。

Claims (8)

1.一种采用两个氧化物层并包括可变电阻材料的非易失性存储器件，包括：
下部电极；
形成于所述下部电极上的，由氧化状态可以改变的氧化物形成的第一氧化物层；
形成于所述第一氧化物层上的第二氧化物层；以及
形成于所述第二氧化物层上的上部电极，
其中所述第二氧化物层由无定形氧化物形成。
2.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，所述下部电极由与所述第一氧化物层形成肖特基接触的金属或金属氧化物形成。
3.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，所述第一氧化物层由过渡金属氧化物形成。
4.根据权利要求3所述的非易失性存储器件，其中，所述过渡金属氧化物由NiO、CeO2、VO2、V2O5、Nb2、Nb2O5、TiO2、Ti2O3、WO3、Ta2O5或ZrO2形成。
5.根据权利要求1所述的非易失性存储器件，其中，所述无定形氧化物为InZnO或InSnO。
6.根据权利要求2所述的非易失性存储器件，其中，所述下部电极由Pt、Ru或Ir，或者Pt、Ru或Ir的氧化物形成。
7.根据权利要求2所述的非易失性存储器件，其中，所述下部电极由Ti或Ag形成。
8.根据权利要求3所述的非易失性存储器件，其中，所述上部电极由Pt、Ru或Ir，或者Pt、Ru或Ir的氧化物形成。
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